2 PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN FAKTOR ...

MEKANIKA

Volume 10 Nomor 1, September 2011

7

PENGUJIAN KARAKTERISTIK PERPINDAHAN PANAS DAN

FAKTOR GESEKAN PADA PENUKAR KALOR PIPA

KONSENTRIK DENGAN SISIPAN PITA TERPILIN BERLUBANG

Tri Istanto 1, Wibawa Endra Juwana

1

1Staf Pengajar – Jurusan Teknik Mesin – Universitas Sebelas Maret

Keywords :

Nusselt number

Reynolds number

friction factor

perforated twisted tape insert

Abstract :

This research was conducted to examine the characteristics of heat transfer

and friction factor in the annular channel concentric tube heat exchanger

with a classic twisted tape insert and perforated twisted tape inserts. Test

section was the single pass concentric tube heat exchanger with inner tube

and outer tube made of aluminum. Dimensions of outer tube; outer diameter

of 21.87 mm and inner diameter of 20.67 mm, and dimensions of inner tube,

outer diameter of 15.84 mm and inner diameter of 14.34 mm. The length of

heat exchanger was 2,000 mm and the length of pressure drop measurement

in the inner tube was 2,010 mm. Flows in the inner tube and in annulus was

counter flow. Working fluid in the inner tube was hot water which its inlet

temperature was maintained at 60°C, whereas in the annulus was cold water

at 28oC. Both of classic twisted tape insert and perforated twisted tape insert

with a twist ratio of 4.0 were made of aluminum strips with a thickness of

0.76 mm and width of 12.61 mm which it was twisted so forming twist with

the length of pitch was 50.35 mm. Perforated twisted tape inserts were varied

with holes diameter of 4 mm and 6.5 mm, respectively, where the distance

between the center holes of 4 cm. Twisted tape insert installed in the inner

tube of the concentric tube heat exchanger. The results showed that at the

same Reynolds number, the addition of classic twisted tape insert and

perforated twisted tape insert with holes diameter of 4 mm and 6,5 mm in the

inner tube increasing the average Nusselt numbers were 79,20%, 68,7%, and

57,8% than the inner tube without a twisted tape insert (plain tube),

respectively. At the same pumping power, the average Nusselt number in the

inner tube with the addition of perforated twisted tape inserts with holes

diameter of 6.5 decreased 1.62%, whereas the addition of perforated twisted

tape inserts with holes diameter of 4 mm classic twisted tape inserts

increased the average Nusselt number were 3.2% and 5,84% compared with

plain tube, respectively. At the same Reynolds number, the addition of classic

twisted tape inserts and perforated twisted tape insert with holes diameter of

4 mm and 6,5 mm in the inner tube increased the average friction factor

339.25%, 298.49% and 269.6% than plain tube, respectively. At the same

pumping power, the addition of classic twisted tape inserts and perforated

twisted tape insert with holes diameter of 4 mm and 6.5 mm in inner tube

increased the average friction factor 485.39%, 416.48 % and 362.72% than

plain tube, respectively.

PENDAHULUAN

Penukar kalor (heat exchanger) adalah sebuah

alat yang digunakan untuk memindahkan panas

antara dua atau lebih fluida. Perkembangan alat

penukar kalor menuju keringkasan ukuran, tetapi

dengan kemampuan pertukaran kalornya yang

semakin meningkat. Perbaikan peningkatan kuantitas

laju perpindahan panas dari semua jenis penukar

kalor telah diaplikasikan dalam dunia industri,

diantaranya dalam: proses pengambilan panas

kembali (heat recovery processes), pendingin udara

dan sistem refrigerasi, dan reaktor-reaktor kimia. Sampai saat ini beberapa teknik peningkatan

perpindahan panas pada penukar kalor telah banyak

dikembangkan. Efektivitas perpindahan panas dari sebuah

penukar kalor dipengaruhi oleh banyak hal, salah

satunya adalah jenis aliran dalam pipa penukar kalor.

Aliran yang turbulen diketahui memiliki nilai

perpindahan panas yang lebih baik dibandingkan

dengan jenis aliran laminar. Dengan meningkatkan

turbulensi aliran fluida dalam pipa penukar kalor,

diharapkan koefisien perpindahan panas konveksinya

akan meningkat. Salah satu cara untuk meningkatkan

turbulensi aliran fluida dalam pipa penukar kalor

adalah dengan menggunakan sisipan (insert), yaitu

MEKANIKA

Volume 10 Nomor 1, September 2011

8

isian material yang dapat membuat aliran di dalam

pipa penukar kalor menjadi lebih turbulen. Di sisi

lain, semakin turbulen sebuah aliran fluida maka

penurunan tekanan (pressure drop) yang terjadi

antara sisi masuk dan sisi keluar dari aliran fluida

tersebut semakin besar.

Penurunan tekanan berpengaruh pada besarnya

energi yang harus diberikan pompa atau fan untuk

mengalirkan fluida dalam penukar kalor atau disebut

daya pemompaan (pumping power). Semakin besar penurunan tekanan, maka semakin besar daya

pemompaan yang diperlukan. Penurunan tekanan

fluida mempunyai hubungan langsung dengan

perpindahan panas dalam penukar kalor, operasi,

ukuran, dan faktor – faktor lain, termasuk

pertimbangan ekonomi. Oleh sebab itu peningkatan

koefisien perpindahan panas konveksi dengan

meningkatkan turbulensi aliran fluida dalam pipa

penukar kalor harus dikaitkan dengan besarnya

penurunan tekanan yang dihasilkan. Efektivitas

optimum dari modifikasi ini adalah nilai koefisien

perpindahan panas konveksi yang tinggi diikuti dengan kenaikan penurunan tekanan yang minimum.

Salah satu jenis sisipan yang banyak digunakan

untuk meningkatkan perpindahan panas dalam

sebuah penukar kalor adalah sisipan pita terpilin

(twisted tape insert). Pipa penukar kalor dengan

penambahan sisipan pita terpilin telah digunakan

secara luas sebagai alat pemutar aliran secara

kontinyu untuk meningkatkan laju perpindahan

panas. Penambahan sisipan pita terpilin dalam

sebuah pipa penukar kalor merupakan metode pasif,

dimana tidak memerlukan tambahan energi dari luar. Sisipan pita terpilin sering digunakan dalam penukar

kalor karena harganya murah, perawatannya mudah,

dan ringkas.

Banyak peneliti yang menyelidiki tentang

peningkatan perpindahan panas pada sebuah pipa

atau pada penukar kalor menggunakan sisipan pita

terpilin. Sarma et al (2002) menyelidiki pendekatan

baru untuk memprediksi koefisien perpindahan

panas konveksi dalam sebuah pipa dengan

penambahan sisipan pita terpilin untuk berbagai

perbandingan nilai pitch dan diameter. Naphon

(2006) menyelidiki karakteristik perpindahan panas dan penurunan tekanan pada penukar kalor pipa

ganda dengan dan tanpa sisipan pita terpilin.

Noothong et al (2006) menyelidiki pengaruh

penambahan sisipan pita terpilin terhadap

karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan

dalam sebuah penukar kalor pipa konsentrik. Rahimi

et al (2009) menyelidiki karakteristik perpindahan

panas dan faktor gesekan pada penukar kalor dengan

penambahan classic, perforated, notched dan jagged

twisted tape insert. Ahamed et al (2007) menyelidiki

perpindahan panas aliran turbulen pada sebuah pipa dengan penambahan sisipan pita terpilin berlubang.

Istanto et al (2011) menyelidiki karakteristik

perpindahan panas dan faktor gesekan pada penukar

kalor pipa konsentrik dengan penambahan sisipan

pita terpilin panjang setengah penuh dan panjang

penuh. Istanto et al (2011) menyelidiki karakteristik

perpindahan panas dan faktor gesekan pada penukar

kalor pipa konsentrik saluran persegi dengan

penambahan sisipan pita terpilin klasik dan

berlubang. Istanto et al (2011) menyelidiki pengaruh

rasio pilinan (twist ratio) terhadap karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan pada penukar

kalor pipa konsentrik dengan penambahan sisipan

pita terpilin.

Penelitian ini dilakukan untuk menguji

karakteristik perpindahan panas dan faktor gesekan

pada penukar kalor pipa konsentrik dengan geometri

pipa dalam (inner tube) dan pipa luar (outer tube)

adalah annular dengan penambahan sisipan pita

terpilin klasik dan sisipan pita terpilin berlubang di

pipa dalam.

METODE PENELITIAN Skema alat pengujian karakteristik perpindahan

panas dan faktor gesekan pada penukar kalor pipa

konsentrik dengan penambahan sisipan pita terpilin

di pipa dalam dapat dilihat pada gambar 1. Peralatan

penelitian terdiri dari 3 sistem, yakni sistem

pengukuran, sistem lintasan pipa dalam, dan sistem

lintasan annulus. Lintasan aliran air panas di pipa

dalam adalah sebuah lintasan tertutup. Air panas

yang berada di tangki air panas digerakkan oleh

pompa air, mengalir melewati pipa dalam dan

kembali ke tangki air panas. Lintasan aliran air dingin di annulus adalah lintasan terbuka. Aliran air

dingin menggunakan metode gravitasi, yaitu aliran

air dingin berasal dari tangki air dingin yang

diletakkan di pada ketinggian tertentu. Air dingin

yang keluar dari annulus langsung dibuang.

Skema seksi uji dapat dilihat pada gambar 2.

Penukar kalor berupa pipa konsentrik satu laluan

dengan arah aliran-aliran fluida melalui pipa dalam

dan annulus berlawanan arah (counter flow). Pipa

dalam dan pipa luar terbuat dari aluminium, dengan

panjang berturut-turut 2.300 mm dan 1.940 mm.

Dimensi pipa luar; diameter luar 21,87 mm dan diameter dalam 20,67 mm, dan dimensi pipa dalam;

diameter luar 15,84 mm dan diameter dalam 14,34

mm. Panjang penukar kalor 2.000 mm dan jarak

pengukuran beda tekanan di pipa dalam 2.010 mm.

Ukuran celah annulus 2,42 mm dengan diameter

hidrolik 4,83 mm. Panjang pengukuran beda tekanan

di pipa dalam 2.002 mm. Pengujian dilakukan

dengan arah penukar kalor mendatar. Temperatur

masukan air panas melalui pipa dalam dijaga konstan

60oC, sedangkan temperatur masukan air dingin di

annulus adalah ± 28oC.

MEKANIKA

Volume 10 Nomor 1, September 2011

9

Gambar 1. Skema alat uji penukar kalor pipa konsentrik dengan sisipan pita terpilin

Gambar 2.Skema penukar kalor pipa konsentrik

Termokopel tipe K digunakan untuk mengukur

temperatur air panas masuk dan keluar pipa dalam,

temperatur dinding luar pipa dalam, dan temperatur

air dingin masuk dan keluar annulus. Pengukuran

temperatur dinding luar pipa dalam sebanyak 10

titik, seperti terlihat pada gambar 3. Penelitian

dilakukan dengan menvariasi laju aliran air panas di

pipa dalam, sedangkan laju aliran air dingin di

annulus dijaga konstan. Laju aliran air panas di pipa

dalam diukur dengan flowmeter. Temperatur air

panas masukan ke pipa dalam dijaga konstan 60oC,

dengan menggunakan pemanas air elektrik yang

dikontrol dengan thermocontroller. Penelitian

dilakukan untuk pipa dalam dari penukar kalor pipa

konsentrik tanpa penambahan sisipan pita terpilin

(plain tube) dan pipa dalam dengan penambahan

sisipan pita terpilin klasik dan sisipan pita terpilin

berlubang. Pengukuran beda tekanan di pipa dalam

menggunakan manometer pipa U dengan fluida

manometer adalah air. Data yang dipakai untuk

analisa adalah data pada saat sistem penukar kalor

mencapai kondisi tunak.

Gambar 3. Letak termokopel-termokopel di seksi uji

MEKANIKA

Volume 10 Nomor 1, September 2011

10

Sisipan pita terpilin klasik dibuat dari aluminium

strip dengan tebal 0,76 mm dan lebar 12,61 mm yang

dipuntir sedemikian rupa sehingga membentuk

sebuah pilinan yang mempunyai panjang pitch 50,35

mm dan rasio pilinan sebesar 4,0. Sedangkan sisipan

pita terpilin berlubang dibuat dari material dan

ukuran yang sama dengan sisipan pita terpilin klasik,

dengan panjang pitch 50,35 mm dan rasio pilinan 4,0

dimana divariasi ukuran diameter lubang sebesar 6,5

mm dan 4 mm. Sisipan pita terpilin dipasang di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik. Sisipan

pita terpilin klasik dan berlubang yang digunakan

pada penelitian ini dapat dilihat pada gambar 4.

(a)

(b)

(c)

Gambar 4. Sisipan pita terpilin;(a) klasik;

(b)berlubang dengan diameter lubang 4 mm;

(c) berlubang dengan diameter lubang 6,5 mm

Perhitungan Perpindahan Panas

Untuk aliran-aliran fluida dalam sebuah penukar

kalor pipa konsentrik, seperti terlihat pada gambar 1,

laju perpindahan panas dari air panas di pipa dalam

dapat dinyatakan sebagai :

Qh = �� �.Cp,h .(Th,in – Th,out) (1) Laju perpindahan panas ke air dingin di annulus

Qc = �� �.Cp,c .(Tc,out – Tc,in) (2)

Qc = ho. Ao. (���, – Tb,o) (3)

Perbedaan besar laju perpindahan panas dari

persamaan (1) dan (2,3) menunjukkan kesalahan

keseimbangan energi (heat balance error) dari

penukar kalor, dimana dapat diabaikan jika penukar

kalor diisolasi dengan baik.

Qloss = |Qh - Qc | (4)

Dalam penelitian ini penukar kalor diisolasi dengan

baik sehingga persentase Qloss ≤ 10%.

Koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di

annulus dapat ditentukan dari persamaan (2) dan (3)

:

ho = � �. � .(��,���– ��,��)

��.(���,� – ��,�) (5)

Laju perpindahan panas pada persamaan (1) dapat

juga dinyatakan dengan menggunakan parameter koefisien perpindahan panas overall berdasarkan

permukaan dalam pipa dalam :

Qh = Ui.Ai.∆TLMTD (6) Koefisien perpindahan panas overall Ui , pada

penukar kalor pipa konsentrik ini dinyatakan dengan

:

Ui = �

� � �!"�.#�$"� "�⁄ &

'.(� ! "�"�. �)

(7)

Dari persamaan (1) dan (6), maka nilai Ui dapat

dihitung :

Ui = � . � .(� ,�� – � ,���)

��.∆�+,-. (8)

Dengan diperoleh nilai ho dari persamaan (5) dan Ui

dari persamaan (8), maka koefisien perpindahan

panas konveksi rata-rata di pipa dalam, hi , dapat

dihitung dengan menggunakan persamaan :

hi = �

� �/�0"�.#�$"� "�⁄ &

'.(� 0 "�"�. �)

(9)

Bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam, Nui , dapat

dihitung dengan persamaan :

Nui = 1� .2�

3� (10)

Bilangan Reynolds (Re) aliran air panas di pipa

dalam, dihitung dengan persamaan :

Re = 4.5.2�

6 (11)

Perhitungan Faktor Gesekan (Friction Factor)

Penurunan tekanan (∆P) yang terjadi pada aliran air di pipa dalam ditentukan dengan

manometer pipa U. Faktor gesekan dihitung

menggunakan persamaan :

f = 78

9 +�. ,�:94;'

' : (12)

Jika ∆P telah diketahui, maka daya

pemompaan, dapat ditentukan dari :

<�=>?= = A.� ∆B (13)

Unjuk kerja termal didefinisikan sebagai

perbandingan antara koefisien perpindahan panas konveksi rata-rata di pipa dalam dengan penambahan

sisipan pita terpilin dengan koefisien perpindahan

panas konveksi rata-rata di pipa dalam tanpa sisipan

pita terpilin (plain tube) pada daya pemompaan yang

sama.

η = 91C1�

:DD

(14)

HASIL DAN PEMBAHASAN

a. Validasi karakteristik perpindahan panas dan

faktor gesekan di plain tube Dilakukan validasi karakteristik perpindahan

panas (Nu) dan faktor gesekan (f) pada pipa dalam

dari penukar kalor pipa konsentrik tanpa sisipan pita

terpilin (plain tube) dengan korelasi-korelasi

empirik untuk perpindahan panas dan faktor gesekan

yang telah ada. Karakteristik perpindahan panas dari

plain tube dibandingkan dengan korelasi Gnielinski,

Petukhov dan Dittus Boelter, sedangkan untuk

karakteristik faktor gesekan dibandingkan dengan

persamaan Blasius.

Dari gambar 5, penyimpangan rata-rata nilai aktual Nui dari plain tube dengan korelasi Dittus-

Boelter sebesar 24,57%, dengan korelasi Gnelienski

sebesar 7,3%, dan dengan korelasi Petukhov sebesar

5,6%. Penyimpangan rata-rata nilai Nui

dibandingkan dengan korelasi Gnelienski dan

Petukhov cukup kecil, sehingga nilai Nui aktual di

plain tube adalah valid. Korelasi Dittus–Boelter

mempunyai akurasi ± 25% (Incropera, 2006),

sehingga nilai aktual Nui di plain tube adalah valid.

MEKANIKA

Volume 10 Nomor 1, September 2011

11

Gambar 5. Hubungan Nu dengan Re untuk plain

tube

Gambar 6. Hubungan f dengan Re untuk plain tube

Dari gambar 6, nilai f dari plain tube

menyimpang rata-rata sebesar 11,09% dari

persamaan Blasius. Nilai penyimpangan f rata-rata

ini cukup kecil, sehingga data aktual f di plain tube

adalah valid.

b. Karakteristik perpindahan panas pada

bilangan Reynolds yang sama

Karakteristik perpindahan panas dari penukar

kalor pipa konsentrik ini dapat dilihat pada gambar

7.

Manglik dan Bergles (1993) mengembangkan

korelasi untuk sisipan pita terpilin klasik di pipa bundar dalam daerah turbulen dan valid untuk

temperatur dinding konstan dan fluks kalor konstan.

Dari hasil pengujian, nilai bilangan Nusselt rata-rata

pipa dalam dengan penambahan sisipan pita terpilin

klasik dan sisipan pita terpilin berlubang dengan

diameter lubang 4 mm dan 6,5 mm jika

dibandingkan dengan korelasi Manglik – Bergles

memiliki penyimpangan rata-rata berturut-turut

sebesar 14,78%, 8,16%, dan 2,25%. Nilai

penyimpangan ini cukup kecil sehingga data nilai Nu

di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik dengan sisipan pita terpilin adalah valid. Fenomena

ini serupa dengan penelitian Murugesan (2009) yang

membandingkan data penelitiannya dengan korelasi

Manglik-Berges, dan diperoleh penyimpangan

sebesar ±10%.

Gambar 7. Grafik hubungan Nui dengan Re

Dari gambar 7 dapat dilihat bahwa dengan

semakin besar Re, maka Nui rata-rata akan semakin

naik. Kenaikan Nui berarti juga terjadi kenaikan

perpindahan panas yang terjadi di pipa dalam. Hal

ini terjadi untuk ke semua kasus, yaitu untuk plain

tube, dan pipa dalam dengan penambahan sisipan

pita terpilin. Dengan penambahan sisipan pita

terpilin di pipa dalam maka dapat digunakan untuk

memutar aliran secara kontinyu dari sisi masuk

sampai sisi keluar penukar kalor. Hal ini berfungsi

untuk menambah panjang aliran di pipa dalam, mengurangi tebal lapis batas termal, dan

meningkatkan percampuran antara aliran inti dengan

aliran dekat dinding pipa dalam.

Pada bilangan Reynolds yang sama, pipa dalam

dari penukar kalor pipa konsentrik dengan sisipan

pita terpilin klasik bilangan Nusselt rata-rata

meningkat 79,20 % dibandingkan dengan plain tube.

Sedangkan dengan penambahan sisipan pita terpilin

diameter lubang 4 mm dan 6,5 mm kenaikan

bilangan Nusselt rata-rata berturut-turut sebesar

68,7% dan 57,8% dibandingkan dengan plain tube. Penambahan sisipan pita terpilin klasik di pipa dalam

menghasilkan peningkatan perpindahan panas yang

lebih besar daripada sisipan pita terpilin berlubang.

Hal ini disebabkan karena pada sisipan pita terpilin

berlubang aliran di bagian tengah tengah tidak

berputar sebagai akibat dari adanya lubang yang

menyebabkan berkurangnya aliran berputar (swirl

flow) sehingga mengurangi perpindahan panas.

Fenomena ini serupa dengan penelitian Rahimi dkk

(2009), bahwa dengan penambahan sisipan pita

terpilin klasik menghasilkan kenaikan perpindahan

panas yang lebih tinggi dibandingkan dengan penambahan sisipan pita terpilin berlubang.

c. Karakteristik faktor gesekan pada bilangan

Reynolds yang sama

Penambahan sisipan pita terpilin di pipa dalam

memberikan tambahan tahanan aliran. Hal ini

menimbulkan ∆P yang lebih besar dibandingkan

dengan plain tube. Kenaikan ∆P merugikan, karena meningkatkan daya pemompaan untuk

mempertahankan aliran di pipa dalam dengan laju

aliran volumetrik yang sama. Grafik pengaruh Re dan penambahan sisipan pita terpilin terhadap nilai ∆P di pipa dalam dapat dilihat pada gambar 8.

MEKANIKA

Volume 10 Nomor 1, September 2011

12

Gambar 8. Hubungan ∆P dengan Re

Gambar 9. Hubungan f dengan Re

Nilai ∆P dengan penambahan sisipan pita terpilin klasik meningkat 339,47% dari plain tube,

sedangkan dengan penambahan sisipan pita terpilin

berlubang diameter lubang 4 mm dan 6,5 mm nilai

penurunan tekanan berturut-turut meningkat sebesar

298,7% dan 270,17% dari plain tube. Penambahan sisipan pita terpilin klasik di pipa dalam

menghasilkan penurunan tekanan paling besar

dibandingkan dengan penambahan sisipan pita

terpilin berlubang dan plain tube. Hal ini terjadi

karena kecepatan radial aliran fluida akibat sisipan

pita terpilin klasik lebih besar dari sisipan pita

terpilin berlubang, dimana lubang pada sisipan pita

terpilin berlubang mengurangi halangan aliran

sehingga kecepatan radial aliran berkurang.

Karakteristik f di pipa dalam dapat dilihat pada

gambar 9. Dari gambar 9 dapat dilihat bahwa dengan

kenaikan Re, nilai f di pipa dalam dari penukar kalor pipa konsentrik semakin berkurang. Hal ini terjadi

untuk plain tube maupun pipa dalam dengan

penambahan sisipan pita terpilin. Nilai f dari pipa

dalam dengan penambahan sisipan pita terpilin

mempunyai nilai yang lebih besar dibandingkan

plain tube. Dengan penambahan sisipan pita terpilin

klasik, faktor gesekan rata-rata pipa dalam dari

penukar kalor pipa konsentrik meningkat 339,25%

dari faktor gesekan plain tube. Sedangkan dengan

penambahan sisipan pita terpilin berlubang diameter

lubang 4 mm dan 6,5 mm, faktor gesekan rata-rata berturut-turut meningkat 298,49% dan 269,60% dari

faktor gesekan plain tube.

d. Karakteristik perpindahan panas pada daya

pemompaan yang sama

Pengaruh penambahan sisipan pita terpilin di

pipa dalam terhadap karakteristik perpindahan panas

pada daya pemompaan yang sama dapat dilihat pada

gambar 10.

Gambar 10. Hubungan Nui dengan Re pada daya

pemompaan yang sama

Dari gambar 10, Nui rata-rata untuk pipa dalam

dengan sisipan pita terpilin klasik naik rata-rata

5,84% dibandingkan plain tube, untuk pipa dalam

dengan sisipan pita terpilin berlubang diameter

lubang 4 mm Nui rata-rata naik rata-rata 3,2%

dibandingkan plain tube,sedangkan untuk pipa dalam dengan sisipan pita terpilin berlubang diameter

lubang 6,5 mm Nui rata-rata turun rata-rata 1,62%

dibandingkan plain tube.

e. Karakteristik faktor gesekan pada daya

pemompaan yang sama

Karakteristik f untuk pipa dalam dengan

penambahan sisipan pita terpilin pada daya

pemompaan yang sama dapat dilihat pada gambar

11. Dengan penambahan sisipan pita terpilin di pipa

dalam, menjadikan nilai f lebih besar dibandingkan

dengan plain tube. Pada daya pemompaan yang sama, dengan penambahan sisipan pita terpilin klasik

f rata-rata pipa dalam dari penukar kalor pipa

konsentrik meningkat 485,39% dari f plain tube.

Sedangkan dengan penambahan sisipan pita terpilin

berlubang diameter lubang 4 mm dan 6,5 mm f rata-

rata dari pipa dalam dari penukar kalor pipa

konsentrik berturut-turut meningkat 416,48 % dan

362,72% kali lebih tinggi daripada f plain tube.

MEKANIKA

Volume 10 Nomor 1, September 2011

13

Gambar 11. Hubungan f dengan Re pada daya

pemompaan yang sama

e. Karakteristik unjuk kerja termal (ηηηη) Karakteristik unjuk kerja termal untuk pipa

dalam dengan penambahan sisipan pita terpilin dapat

dilihat pada gambar 12. Dari gambar 12, dapat

dilihat bahwa penambahan sisipan pita terpilin klasik

di pipa dalam menghasilkan η yang lebih baik

dibandingkan penambahan sisipan pita terpilin

berlubang. Nilai η rata-rata pipa dalam dengan

penambahan sisipan pita terpilin klasik adalah 1,05 ,

sedangkan penambahan sisipan pita terpilin

berlubang diameter lubang 4 mm, η rata-rata sebesar

1,03. Sedangkan untuk penambahan sisipan pita

terpilin diameter lubang 6,5 mm, η rata-rata sebesar 0,98. Penambahan sisipan pita terpilin klasik di pipa

dalam menghasilkan η terbesar. Fenomena ini serupa dengan penelitian Rahimi dkk (2009). Hal ini

menunjukkan bahwa sisipan pita terpilin klasik lebih

baik sebagai turbulator untuk pipa dalam dari

penukar kalor pipa konsentrik dalam meningkatkan

perpindahan panas pada daya pemompaan yang

sama.

Gambar 12. Hubungan η dengan Re

KESIMPULAN

Penambahan sisipan pita terpilin klasik di pipa

dalam dari penukar kalor pipa konsentrik saluran

annular menghasilkan laju perpindahan kalor,

penurunan tekanan, faktor gesekan dan unjuk kerja termal yang lebih besar dibandingkan dengan

penambahan sisipan pita terpilin berlubang untuk

keseluruhan nilai bilangan Reynolds. Penambahan

sisipan pita terpilin berlubang dapat menghasilkan

penurunan tekanan yang lebih kecil dibandingkan

penambahan sisipan pita terpilin klasik. Nilai unjuk

kerja termal untuk penambahan sisipan pita terpilin

klasik dan sisipan pita terpilin berlubang diameter

lubang 4 mm di pipa dalam lebih besar dari 1,0, hal

ini mengindikasikan bahwa pengaruh peningkatan

perpindahan panas karena sisipan pita terpilin lebih

dominan dibandingkan pengaruh kenaikan faktor

gesekan. Sisipan pita terpilin klasik lebih baik

sebagai turbulator untuk meningkatkan perpindahan

panas daripada sisipan pita terpilin berlubang,

sehingga dapat digunakan di pipa dalam dari penukar

kalor pipa konsentrik saluran annular untuk mengurangi ukuran penukar kalor.

DAFTAR NOTASI

Ai = luas permukaan dalam pipa dalam (m2)

Ao = luas permukaan luar pipa dalam (m2)

Cp,c = panas jenis air dingin di annulus

(kJ/kg.oC)

Cp,h = panas jenis air panas di pipa dalam

(kJ/kg.oC)

di = diameter dalam pipa dalam (m)

do = diameter luar pipa dalam (m)

f = faktor gesekan hi = koefisien perpindahan panas konveksi

rata-rata di pipa dalam (W/m2.oC)

ho = koefisien perpindahan panas konveksi

rata-rata di annulus (W/m2.oC)

hp = koefisien perpindahan panas konveksi

rata-rata di pipa dalam tanpa sisipan pita

terpilin (W/m2.oC)

hs = koefisien perpindahan panas konveksi

rata-rata di pipa dalam dengan sisipan pita

terpilin (W/m2.oC)

ki = konduktivitas termal rata-rata air panas di pipa dalam (W/m.

oC)

Lt = panjang pengukuran penurunan tekanan

di pipa dalam (m)

�� � = laju aliran massa air dingin di annulus

(kg/s)

�� � = laju aliran massa air panas di pipa dalam

(kg/s)

Nui = bilangan Nusselt rata-rata di pipa dalam

Nuo = bilangan Nusselt rata-rata di annulus

Qc = laju perpindahan panas di annulus (W)

Qh = laju perpindahan panas di pipa dalam (W)

Qloss = kehilangan panas konveksi di pipa dalam

(W)

Re = bilangan Reynolds

Tb,o = temperatur bulk rata-rata di annulus (oC)

Tc,in = temperatur air dingin masuk annulus (oC)

Tc,out = temperatur air dingin keluar annulus (oC)

Th,in = temperatur air panas masuk pipa dalam

(oC)

Th,out = temperatur air panas keluar pipa dalam

(oC)

���, = temperatur rata-rata dinding luar pipa

dalam (oC)

Ui = koefisien perpindahan panas overall

berdasarkan permukaan dalam pipa dalam (W/m

2.oC)

Uo = koefisien perpindahan panas overall

MEKANIKA

Volume 10 Nomor 1, September 2011

14

berdasarkan permukaan luar pipa dalam

(W/m2.oC)

V = kecepatan rata-rata air panas di pipa

dalam (m/s)

A� = laju aliran volumetrik air panas di pipa

dalam (m3/s)

<�=>?= = daya pemompaan (W)

ρ = densitas air panas di pipa dalam (kg/m3)

η = unjuk kerja termal µ = viskositas dinamik air panas di pipa

dalam (kg/m.s)

∆P = penurunan tekanan (Pa)

∆TLMTD = beda temperatur rata-rata logaritmik (oC)

DAFTAR PUSTAKA

Ahamed, J.U., Rashid Sarkar, M.A., Khan, M.H.,

Wased, M.A., 2007, Heat transfer in turbulent

flow through tube with perforated twisted tape insert, Proceedings of the International

Conference on Mechanical Engineering

(ICME2007) 29-31 Desember 2007, Dhaka,

Bangladesh.

Incropera, Frank, P., David P. De Witt, 2007,

Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6th

Edition, John Wiley & Sons

Istanto, T., Juwana, W.E., Yaningsih, I., (2011),

Pengujian karakteristik perpindahan panas

dan faktor gesekan pada penukar kalor pipa

konsentrik dengan half length dan full length

twisted tape insert, Prosiding Seminar

Nasional Teknik Mesin 6, Universitas Kristen

Petra Surabaya, 16 Juni 2011.

Istanto, T., Juwana, W.E., Yaningsih, I., (2011),

Pengujian karakteristik perpindahan panas

dan faktor gesekan pada penukar kalor pipa

konsentrik dengan classic twisted tape insert

dan perforated twisted tape insert, Prosiding

Seminar Nasional Thermofluid 2011, Jurusan

Teknik Mesin dan Industri Fakultas Teknik

UGM Yogyakarta, 4-5 Oktober 2011

Istanto, T., Juwana, W.E., Yaningsih, I., (2011), Pengaruh twist ratio terhadap karakteristik

perpindahan panas dan faktor gesekan pada

penukar kalor pipa konsentrik dengan twisted

tape insert”, Prosiding Seminar Nasional

Teknoin 2011, Fakultas Teknologi Industri

UII, 19 November 2011

Manglik, R. M. and Bergles, A. E., 1993, Heat

transfer and pressure drop correlations for

twisted tape insert in isothermal tubes. Part 1:

laminar flows. Trans. ASME, J. Heat

Transfer, ,Vol. 116, pp. 881–889.

Manglik, R. K. and Bergles, A. E., 1993, Heat

transfer and pressure drop correlations for twisted-tape inserts in isothermal tubes: Part

II: Transition and turbulent flows. Trans.

ASME, J. Heat Transfer, Vol. 115, pp.890–

896.

Murugesan, P, Mayilsamy, K., Suresh, S.,

Srinivasan, P.S.S., 2009, Heat transfer and

pressure drop characteristics of turbulent flow

in a tube fitted with trapezoidal-cut twisted

tape insert, International Journal of Academic

Research, 1, 123-128

Naphon, P., 2006, Heat transfer and pressure drop in

the horizontal double pipes with and without twisted tape insert, International

Communications in Heat and Mass Transfer,

Vol. 33, pp. 166–175

Noothong, W., Eiamsa-ard, S., and Promvonge, P.,

2006, Effect of Twisted-tape Inserts on Heat

Transfer in a Tube, The 2nd

Joint

International Conference on “Sustainable

Energy and Environment (SEE 2006), 21-23

November 2006, Bangkok, Thailand

Rahimi, Masoud, Sayed Reza Shabaniana, Ammar

Abdulaziz Alsairafib, 2009, Experimental and CFD studies on heat transfer and friction

factor characteristics of a tube equipped with

modified twisted tape inserts, Chemical

Engineering and Processing: Process

Intensification, 48, 762–770.

Sarma, P.K., Subramanyam, T., Kishore, P.S.,

Dharma Rao, V., Kakac, S, 2002, A new

method to predict convective heat transfer in

a tube with twisted tape inserts for turbulent

flow, International Journal of Thermal

Sciences, 41, 955–960.